Eine Forschungsgruppe der Universität Freiburg hat im Labor nachgestellt, wie sich eine Verdoppelung des Pflanzengenoms auf die Anpassung von Pflanzen an Hitze auswirkt. Diese Genomverdopplung brachte jedoch nicht sofort einen Vorteil mit sich. Erst die darauf folgende Evolution begünstigte die Anpassung der Pflanzen an die Hitze. Diese grundlegenden Erkenntnisse könnten konkrete Auswirkungen auf die Landwirtschaft haben, da die meisten unserer Nutzpflanzen ein verdoppeltes Genom besitzen und wahrscheinlich das Potenzial haben, sich an die Klimabedingungen der Zukunft anzupassen.

Das Team von Professor Christian Parisod an der Universität Freiburg veröffentlichte seine Forschungsergebnisse in der renommierten internationalen Fachzeitschrift PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America). Dabei untersuchte es, ob sich Vorteile unmittelbar nach der Verdopplung des Genoms oder erst nach einer langen Evolutionsphase zeigen. Das Genom ist die Gesamtheit der genetischen Informationen einer Pflanze. Eine Verdopplung des Genoms kommt bei Pflanzen sehr häufig vor und ist ein wichtiger Treiber ihrer Evolution.

Keine unmittelbaren Superkräfte
Arten mit verdoppeltem Genom kommen besonders häufig bei Kulturpflanzen wie Weizen, Kartoffeln oder Raps vor, aber auch in bestimmten rauen Lebensräumen. Daher wird oft angenommen, dass eine Verdopplung des Genoms den Pflanzen sofort neue evolutionäre «Superkräfte» verleiht und dass dies ihr Überleben bei grossen klimatischen Umbrüchen begünstigt hätte.

Das Forschungsteam untersuchte das Glatte Brillenschötchen (Biscutella laevigata), eine Alpenpflanze, die in der Natur in zwei Formen vorkommt: in einer diploiden Form, die dem nicht verdoppelten Genom entspricht, und in einer tetraploiden Form, die aus einer natürlichen Genomverdopplung hervorgegangen ist, die sich vor mehreren tausend Generationen ereignet hat.

In ihrer Studie verglich das Team um Prof. Parsiod die Eigenschaften von natürlich vorkommenden diploiden und tetraploiden Individuen mit denen von synthetisch tetraploiden Pflanzen, welche im Labor durch Verdopplung des Genoms diploider Pflanzen erzeugt wurden. Die Pflanzen wurden über einen Zeitraum von mehr als drei Monaten entweder normalen Alltagstemperaturen (20 °C) oder Stressbedingungen (über 40 °C) ausgesetzt. Dieser Ansatz ermöglichte es somit, die unmittelbaren Folgen einer Verdopplung des Genoms mit jenen zu vergleichen, die nach Tausenden von Evolutionsgenerationen zu beobachten sind.

Erst die Evolution verwandelt eine genetische Einschränkung in einen Vorteil
Die Studie zeigt, dass die künstliche Verdopplung des Genoms nicht ausreicht, um die Leistungsfähigkeit der Pflanzen zu verbessern, da sie mit Kosten verbunden ist: die Pflanzen wachsen langsamer und sind unabhängig von der Temperatur weniger leistungsfähig. Dagegen weisen natürliche Tetraploide eine bessere Leistungsfähigkeit auf als synthetische Tetraploide. Dieser Unterschied deutet darauf hin, dass der lange Evolutionsprozess in den natürlichen Tetraploiden die anfänglichen Nachteile der Genomverdopplung schrittweise ausgeglichen und Lösungen gefunden hat, mit denen diese Pflanzen lange Hitzewellen überstehen können.

Zahlreiche frühere Studien liessen vermuten, dass eine Verdopplung des Genoms die Anpassung sofort und direkt begünstigt. Die neue Forschungsarbeit der Gruppe von Prof. Parisod zeigt nun, dass evolutionäre Innovationen wie Genomverdoppelungen ihre Auswirkungen nicht unbedingt sofort entfalten, sondern zuerst ein Potenzial schaffen, welches dann im Laufe der Generationen durch die natürliche Selektion herausgebildet und verfeinert wird.

Veröffentlichung: Evolution after whole-genome duplication (WGD) drives phenotypic and transcriptomic divergence more than WGD in an autopolyploid herb, PNAS.
DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2533430123